Polyethylene gasification for hydrogen, methanol and fuels production: an integrated chemistry modeling, process simulation and environmental assessment

Solid plastic waste (SPW) gasification offers a promising avenue for addressing the growing challenge of waste management, while simultaneously contributing to the production of valuable chemicals and fuels. The focus of the present work is to develop a comprehensive methodology to test multiple target products and the impact of operating conditions from both a process and environmental point of view. Indeed, this thesis investigates the feasibility and environmental implications of polyethylene gasification through three distinct scenarios, targeting three different end-products: hydrogen, hydrocarbons via Fischer-Tropsch Synthesis (FTS), and methanol. The implemented methodology includes three steps, each employing a commercial or in-house developed simulation software to ensure reliable results. Firstly, the evaluation of optimal gasification conditions is conducted through the OpenSMOKE++ kinetic modelling framework developed at Politecnico di Milano. Aspen Plus® is then used to evaluate plants’ yields and global energy demand. Finally, the plants’ global warming potential in terms of kg CO2-eq/kg of PE is obtained from SimaPro simulations. The coupling of these software carries the significant advantage of not relying on external literature data nor on simplified assumptions to describe key chemical kinetic aspects. In the proposed workflow, OpenSMOKE++ provides the data for Aspen Plus®, and the data inventory for the LCA is populated by the Aspen Plus® simulations results. Considering both conversion of polyethylene and carbon footprint, the methanol production plant emerges as the optimal choice among the implemented configurations. A comparison with WtE treatment reveals that improvements in terms of energetic optimizations are needed for the hydrogen production configuration. Future developments focused on the incorporation of the complete Fischer-Tropsch process chain, including syncrude post-processing treatments, are necessary to ensure more precise results in terms of environmental assessment. Overall, the proposed approach allows to explore the viability of different scenarios moving from a mechanistic description of the underlying chemistry.

La gassificazione di rifiuti plastici offre un’alternativa promettente per affrontare la crescente sfida nella gestione degli stessi, contribuendo contemporaneamente alla produzione di prodotti chimici rilevanti e combustibili. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è sviluppare una metodologia completa per testare la fattibilità, dal punto di vista delle condizioni operative del processo e dell'impatto ambientale, di diversi impianti di gassificazione del polietilene (PE). In particolare, vengono analizzati tre scenari, aventi tre distinti prodotti finali: idrogeno, idrocarburi, ottenuti tramite sintesi di Fischer-Tropsch (FTS), e metanolo. Lo studio comprende tre fasi, ciascuna delle quali utilizza un software di simulazione commerciale per garantire risultati affidabili. Innanzitutto, la valutazione delle condizioni ottimali per il reattore di gassificazione viene condotta attraverso la modellazione cinetica sul sofware OpenSMOKE++, sviluppato presso il Politecnico di Milano. In secondo luogo, Aspen Plus® valuta la resa del prodotto finale e la domanda energetica globale degli impianti. Infine, l'impatto in termini di kg CO2-eq/kg PE è ottenuto dalle simulazioni su SimaPro. L'abbinamento di questi software porta il vantaggio significativo di non fare affidamento su dati di letteratura esterna né su ipotesi semplificate per descrivere gli aspetti chiave della cinetica chimica. Nello schema di lavoro proposto, OpenSMOKE++ fornisce i dati per Aspen Plus®, e l'inventario dei dati per LCA riporta i risultati delle simulazioni con Aspen Plus®. Tenendo conto sia della conversione del polietilene nel prodotto prescelto, che dell’impatto ambientale, l’impianto per la produzione di metanolo risulta la scelta ottimale tra le configurazioni implementate. Un confronto con la termovalorizzazione rivela la necessità di miglioramenti in termini di ottimizzazione energetica dell’impianto per la produzione di idrogeno. Infine, per garantire risultati più precisi in termini di valutazione ambientale, saranno necessari futuri lavori incentrati sull’integrazione dei processi successivi al reattore FTS, compresi i trattamenti di trasformazione degli idrocarburi ottenuti in benzina, diesel, cherosene, ecc. Nel complesso, l'approccio proposto consente di esplorare la fattibilità di diversi scenari partendo da una descrizione meccanicistica della chimica sottostante.